DE3881006T2

DE3881006T2 - Einsatzkoerper fuer gesteinsbohrer.

Info

Publication number: DE3881006T2
Application number: DE8888311970T
Authority: DE
Inventors: Brian John Armstrong; Naresh Jitendra Kar; Madapusi Kande Keshavan; Thomas Walter Oldham; Cary Allen Roth; Lance Douglas Underwood
Original assignee: Smith International Inc
Current assignee: Smith International Inc
Priority date: 1987-12-29
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2008-12-17
Also published as: CA1336285C; EP0323090B1; NO885775L; DE3881006D1; NO885775D0; US4836307A; EP0323090A1

Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Auftragschweißungszusammensetzung, die auf Verschleißflächen von Zähnen von Meißeln zum Bohren von Erdölbohrungen oder dergleichen aufgetragen ist.
Meißel zum Bohren von Erdölbohrungen und dergleichen weisen üblicherweise einen Stahlkörper auf, der an dem unteren Ende eines Bohrgestänges angeschlossen ist. Stahlkegelrollenmeißel sind an dem Körper zum Rotieren und zum Eingreifen in die Bohrlochsohle angebracht, um zum Erstellen der Bohrung Gestein zu brechen, auszumeißeln und auszukerben. Ein wichtiger Typ eines Gesteinsbohrmeißels, der als gerändelter Zahnmeißel bezeichnet ist, weist in etwa dreieckige Zähne auf, die zum Eingreifen in das Gestein von der Oberfläche des Kegels hervorstehen. Die Hauptflächen eines derartigen gerändelten Zahnmeißels, die mit dem Gestein im Eingriff stehen, sind zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit üblicherweise mit einer Schicht eines Auftragschweißungsmaterials belegt. Die spezielle Zahngeometrie stellt keinen Teil dieser Erfindung dar.
Eine herkömmliche Auftragschweißung beinhaltet gewöhnlich Wolframkarbidteilchen, die mit Hilfe einer Metallegierung an die Stahlzähne geschweißt sind. Tatsächlich sind die Karbidteilchen in einer Metallmatrix verteilt, wobei sie eine Schicht an der Oberfläche bilden. Meistens wird Stahl zum Auftragschweißen von Gesteinsmeißeln als Matrix verwendet, obwohl auch andere Legierungen Verwendung finden können.
Gewöhnlich wird das zum Auftragschweißen verwendete Material lediglich als "Karbid" bezeichnet, ohne daß es als Wolframkarbid gekennzeichnet ist. Das Metallkarbid, welches üblicherweise beim Auftragschweißen verwendet wird, ist Wolframkarbid. Kleine Mengen von Tantalkarbid und Titankarbid können vorhanden sein, obwohl diese als gesundheitsschädlich angesehen werden. Es ist zu verstehen, daß die hier lediglich benutzte Bezeichnung "Karbid" als Wolframkarbid zu verstehen ist.
Ein typisches Verfahren zum Anbringen der Auftragschweißung auf den Zahn eines Gesteinsmeißels ist durch Autogenschweißen oder durch atomares Lichtbogenschweißen. Ein Schweiß-"stab" oder eine Schweißstange ist aus einem Rohr aus weichen Stahlblech gebildet, das ein hauptsächlich aus Karbidteilchen bestehendes Füllmittel aufweist. Das Füllmittel kann ebenso Reduktionsmittel für den Stahl, Flußmittel und einen Harzbinder enthalten. Die Auftragschweißung wird durch Aufschmelzen eines Endes des Stabes auf der Fläche des Zahnes aufgebracht. Das Stahlrohr schmilzt, um an dem Stahlzahn anzuschweißen und um die Matrix für die in dem Rohr befindlichen Karbidteilchen zu bilden. Das Reduktionsmittel schmilzt mit dem weichen Stahl des Rohrs zusammen.
Drei Arten von Wolframkarbid sind zum Auftragschweißen verwendet worden. Wahrscheinlich ist gemahlenes Gußkarbid am weitesten verbreitet. Wolfram bildet zwei Karbide, WC und W&sub2;C, wobei eine im wesentlichen kontinuierliche Mischreihe zwischen beiden möglich ist. Typischerweise ist Gußkarbid eine eutektische Mischung aus WC und W&sub2;C- Komponenten und ist als solches substöchiometrisch, d.h. es weist weniger Kohlenstoff als die erwünschtere WC- Verbindung des Wolframkarbids auf. Gußkarbid wird aus dem geschmolzenen Zustand gefroren und auf die gewünschte Teilchengröße zerkleinert.
Eine weitere Art von Wolframkarbid ist so genanntes makrokristallines Wolframkarbid. Dieses Material ist im wesentlichen stöchiometrisches WC in Form von Einkristallen. Der Großteil der makrokristallinen Wolframkarbide liegt in Form von Einkristallen vor. Wenn größere Teilchen untersucht werden, ist feststellbar, daß einige WC-Bikristalle vorhanden sind. Makrokristallines WC ist wegen seiner Festigkeit und seiner Stabilität bevorzugt.
Die dritte Art von zum Auftragschweißen verwendeten Wolframkarbid beinhaltet zementiertes Wolframkarbid, das zuweilen als gesintertes Wolframkarbid bezeichnet wird. Zementiertes Wolframkarbid weist kleine Wolframkarbidteilchen (z.B. 1 bis 15 Mikron) auf, die mit Kobalt verbunden sind. Zementiertes Wolframkarbid wird durch Vermischen von Wolframkarbid mit Kobaltpulver, durch Pressen des gemischten Pulvers, um einen grünen Preßling zu bilden, und durch Sintern des Verbundstoffes bei Temperaturen, die im Bereich des Schmelzpunktes des Kobalts liegen, hergestellt. Das daraus resultierende dichte zementierte Karbid kann dann zerkleinert werden, um zementierte Wolframkarbidpartikel für eine Verwendung in einer Auftragschweißung zu erhalten.
Obwohl weiches Stahlblech zum Herstellen der Rohre verwendet wird, ist der Stahl der Auftragschweißung, wenn er auf einen Gesteinsmeißel aufgetragen ist, eine harte verschleißfeste Stahllegierung. Dies wird durch das Vorhandensein der Oxidationsmittel, wie etwa Silizium und Mangan, die in dem Füllmittel in dem Rohr vermischt sind, und durch Auflösung von Wolfram, Kohlenstoff und möglicherweise Kobalt aus dem Wolframkarbid während des Schweißvorganges erzielt. Ebenso kann eine Vermischung mit der Stahllegierung des Zahnes auf dem Kegel vorkommen.
Es ist wichtig, für die Zähne eines Gesteinskegelrollenmeißels eine so hohe Verschleißfestigkeit wie möglich vorzusehen. Die effektive Lebensdauer eines Kegels wird in dem Maße verlängert, in dem die Verschleißfestigkeit erhöht wird. Es ist erwünscht, die Zähne soweit wie möglich von dem Körper des Kegels hervorstehen zu lassen, da mit längeren Zähnen der Bohrfortschritt des Meißels in die Gesteinsformation erhöht ist (jedoch ist eine unbeschränkte Länge nicht durchführbar, da Zähne, wenn diese für eine bestimmte Gesteinsformation zu groß sind, abbrechen). Während sich die Zähne abnutzen, werden sie kürzer und der Bohrmeißel kann ersetzt werden, wenn der Bohrfortschritt auf einen nicht mehr zu akzeptierenden Wert abgesunken ist. Es ist wünschenswert, den Verschleiß gering zu halten, so daß die Anzahl der Bohrmeter, die mit jedem Meißel gebohrt werden können, vergrößert wird. Dies vermindert nicht nur unmittelbare Kosten, sondern auch die Häufigkeit des "Ein- und Ausbauens" eines Bohrgestänges, um einen abgenutzten Meißel durch einen neuen zu ersetzen.
Daher sind Verbesserungen in der Verschleißfestigkeit von Auftragschweißungen erwünscht, um die Anzahl der Bohrmeter, die ein Bohrmeißel vor einem Stumpfwerden bohren kann, zu erhöhen, und um die Bohrfortschrittsrate derartiger Bohrmeißel zu erhöhen. Derartige Verbesserungen führen unmittelbar zu einer Verminderung der Bohrkosten.
Daher ist gemäß der vorliegenden Erfindung und in Anlehnung an ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine neue Mischung von Wolframkarbidarten und ein höherer Wolframkarbidanteil in Bezug auf den Bindestahl als früher für durchführbar befunden vorgestellt. Die Zusammensetzung für die Auftragschweißung beinhaltet mehr als 68 Gewichtsprozent Füllmaterial und einen restlichen Stahlanteil. Vorzugsweise ist Stahl im Bereich zwischen 18 Gewichtsprozent und 32 Gewichtsprozent und Füllmaterial im Bereich zwischen 68 Gewichtsprozent und 82 Gewichtsprozent vorhanden. Das Füllmaterial weist vorzugsweise zwischen 20 Gewichtsprozent und 35 Gewichts-Prozent einkristallines Monowolframkarbid, WC, zwischen 65 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent zementierte Wolframkarbidpartikel und einen restlichen Stahlreduktionsmittelanteil auf. Vorzugsweise ist die Teilchengröße des zementierten Wolframkarbids größer als die Teilchengröße des einkristallinen WC. Der Anteil von größeren zementierten Wolframkarbidteilchen zu einkristallinem Monowolframkarbid kann sich im Bereich zwischen 35:65 und 80:20 und das Größenverhältnis sich im Bereich zwischen 2 und 5, vorzugsweise etwa bei 3, bewegen. Aufgetragen auf die Zähne eines gerändelten Zahngesteinsmeißels konnte die Bohrmeteranzahl um 37 Prozent erhöht werden. Der Bohrfortschritt war im Vergleich mit Gesteinsmeißeln mit anderen Auftragschweißungen um 18 Prozent erhöht.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim weiterführenden Verstehen des Sachverhaltes unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung und in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser erkannt werden, wobei:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines gerändelten Zahngesteinsmeißels darstellt, der gemäß den Grundsätzen dieser Erfindung hergestellt ist; und
Fig. 2 einen Teilquerschnitt eines beispielhaften Zahnes eines solchen Gesteinsmeißels darstellt.
Ein beispielhafter gerändelter Zahngesteinsmeißel besteht aus einem gedrungenen Stahlkörper 10, der an einem Ende einen mit einem Gewinde versehenen Schaft 11 zum Verbinden mit einem herkömmlichen Bohrgestänge aufweist. An dem gegenüberliegenden Ende des Körpers sind drei Schneidkegel 12 zum Bohren von Gestein vorgesehen, damit eine Erdölbohrung oder dergleichen erstellbar ist. Jeder Schneidkegel ist drehbar auf einem Schaft (versteckt) angebracht, der sich von dem Körper des Gesteinsmeißels nach unten weisend von einem der drei Beine 13 diagonal nach innen erstreckt. Wenn der Gesteinsmeißel durch das Bohrgestänge, mit dem er verbunden wird, rotiert wird, rollen die Schneidkegel tatsächlich auf der Sohle des Bohrloches. Die Kegel sind so geformt und angebracht, daß beim Rollen der auf den Kegeln befindlichen Zähne 14 das Gestein an der Sohle des Loches ausgemeißelt, weggeraspelt, ausgebrochen, abgeschliffen und/oder erodiert wird. Die Zähne 14G in der Reihe um den Schneidrücken des Kegels sind als die Zähne der Maßreihe bezeichnet. Sie bringen die Sohle des Bohrloches im Bereich seines Umfangs auf "Maß". Flüssigkeitsdüsen 15 bringen Bohrklein in das Loch, um die durch das Bohren entstandenen Gesteinsbruchstücke abzutransportieren.
Ein derartiger Gesteinsmeißel ist herkömmlich und lediglich kennzeichnend für verschiedene bei einem Gesteinsmeißel durchgeführte Ausgestaltungen. Zum Beispiel sind die meisten Gesteinsmeißel in der dargestellten dreikegeligen Art ausgebildet. Jedoch sind ebenfalls Ein-, Zwei- und Vierkegelmeißel bekannt. Die Anordnung der Zähne auf den Kegeln ist lediglich eine von vielen möglichen Variationen. Tatsächlich ist es üblich, daß die Zähne auf den drei Kegeln eines Gesteinsmeißels sich voneinander unterscheiden, so daß verschiedene Bereiche der Bohrlochsohle von den drei Schneidkegeln angegriffen werden, so daß zusammengenommen die gesamte Bohrlochsohle ausgebohrt wird. Eine große Vielfalt von Zahn- und Kegelgeometrien sind bekannt und stellen keinen besonderen Teil dieser Erfindung dar.
Auf einem derartigen Kegel weisen beispielhafte Zähne einen in einer radialen Ebene des Kegels aufgenommenen, dreieckigen Querschnitt auf. Ein derartiger Zahn hat eine vordere Flanke 16 und eine hintere Flanke 17, die in einem länglichen Scheitel 18 zusammenlaufen. Die Flanken der Zähne sind mit einer Auftragschweißungsschicht 19 beschichtet. Manchmal ist lediglich die vordere Seite eines jeden Zahns mit einer Auftragschweißungsschicht bedeckt, so daß eine unterschiedliche Abnutzung der verschleißfesten Auftragschweißung auf der vorderen Flanke eines Zahns und dem weniger verschleißfesten Stahl der hinteren Seite des Zahnes dazu führt, daß der Scheitel des Zahnes für einen erhöhten Bohrfortschritt relativ scharf bleibt.
Die vordere Seite des Zahnes ist die Seite, welche am ehesten gegen ungebohrtes Gestein stößt, wenn der Gesteinsmeißel in dem Bohrloch gedreht wird. Aufgrund der verschiedenen Kegelwinkel der Zähne auf einem Schneidkegel bezüglich des Schaftwinkels, auf dem der Kegel angebracht ist, kann die vordere Flanke der Zähne in einer Reihe desselben Kegels in Rotationsrichtung des Meißels weisen, während die vordere Flanke der Zähne in einer anderen Reihe auf demselben Kegel gegen die Rotationsrichtung des Meißels weist. In anderen Fällen, insbesondere im Bereich der Achse des Meißels, kann keine Flanke einheitlich als vordere Flanke angesehen werden, weshalb beide Flanken mit einer Auftragschweißung versehen sein können.
Es kommt manchmal vor, daß die Enden eines Zahns, d.h. die Anteile, die mehr oder weniger in axialer Richtung von dem Kegel weisen, ebenfalls mit einer Auftragschweißungsschicht versehen sind. Dies betrifft insbesondere die sogenannte Maßoberfläche des Meißels, die in der Tat immer mit einer Auftragschweißung versehen ist. Die Maßoberfläche ist eine im wesentlichen konische Oberfläche am Schneidrücken eines Kegels, die beim Gebrauch des Meißels mit der Bohrlochwand in Kontakt steht. Die Maßoberfläche schließt die äußeren Bereiche der Zähne 14G in der sogenannten Maßreihe von Zähnen, die dem Schneidrücken des Kegels am nächsten sind, ein und kann zusätzliche Bereiche beinhalten, die näher an der Achse des Kegels als die Wurzel zwischen den Zähnen sind. Es ist nicht vorgesehen, daß die Maßoberfläche die vorderen und hinteren Flanken der Zähne der Maßreihe einschließt. Die Maßoberfläche trifft auf die Bohrlochwand in einer komplexen Schabebewegung, was eine Abnutzung der Maßoberfläche zur Folge hat. In einigen Ausgestaltungen kann eine Auftragschweißung ebenfalls auf den unteren Teil 20 am Fuße eines jeden Beins des Meißelkörpers aufgebracht werden.
Eine derartige Ausgestaltung eines gerändelten Zahngesteinsmeißel ist gut bekannt und stellt keinen speziellen Teil dieser Erfindung dar, die das bestimmte Auftragschweißungsmaterial, das auf die Zähne eines gerändelten Zahnschneidkegels aufgetragen wird, betrifft.
Das Auftragschweißungsmaterial gemäß der Erfindung beinhaltet eine Vermischung von relativ größeren zementierten Wolframkarbidteilchen mit relativ kleineren Teilchen einkristallinen Monowolframkarbids, WC. Die Karbidteilchen liegen in einer Matrix einer Stahllegierung, die auf den legierten Stahl der Zähne des Schneidkegels geschweißt ist.
Wie hier benutzt, wird als zementiertes Wolframkarbid ein Material bezeichnet, das durch Vermischen von Wolframkarbidteilchen, vorzugsweise Monowolframkarbid, mit Kobaltteilchen oder mit anderen Metallen der Eisengruppe und durch Sintern der Mischung hergestellt ist. In einem typischen Verfahren zum Herstellen von zementiertem Wolframkarbid werden Karbid- und Kobaltteilchen mit einem geringen Anteil eines als temporäres Bindemittel benutzten organischen Waches kräftig vermischt. Ein organisches Lösungsmittel kann zur Förderung eines gleichmäßigen Vermischens verwendet werden. Die Mischung kann zum Sintern durch eine von zwei Techniken vorbereitet werden: sie kann in feste Körper, oftmals als grüne Preßlinge bezeichnet, gepreßt werden; alternativ kann sie zu Körnern oder zu Kügelchen etwa durch Pressen durch ein Sieb oder durch Schleudern und anschließendes Sieben, um eine mehr oder weniger einheitliche Kügelchengröße zu erhalten, geformt werden.
Solche grünen Preßlinge oder Kügelchen werden dann in einem Vakuumofen erhitzt, um zuerst das Wachs zu verdampfen, und dann auf eine Temperatur im Bereich des Schmelzpunktes des Kobalts (oder dgl.) gebracht, so daß die Wolframkarbidteilchen mit der metallischen Phase verbunden werden. Nach dem Sintern werden die Preßlinge gebrochen und auf eine gewünschte Teilchengröße gesiebt. Das gebrochene zementierte Karbid ist meistens sehr viel kantiger als die Kügelchen, die eher eine runde Form annehmen. Die gesinterten Kügelchen neigen dazu, sich während des Sinterns zu verbinden und werden daher gebrochen, um sie voneinander zu lösen. Um eine gewünschte Teilchengröße zu erhalten, werden diese ebenfalls gesiebt. Zementiertes Wolframkarbid aus diesen Preßlingen kann speziell für eine Verwendung in einer Auftragschweißung hergestellt werden, kann Fabrikationsabfall beim Herstellen anderer Produkte sein oder kann Schrott verschlissener Wolframkarbidprodukte sein, der zu diesem Zweck gebrochen und gesiebt ist.
Einkristallines Monowolframkarbid ist von Kennametal, Inc., Fallon, Nevada käuflich erhältlich. Dieses Material wird manchmal als makrokristallines Wolframkarbid bezeichnet.
Dieses Material ist von dem sogenannten Gußwolframkarbid zu unterscheiden. Gußwolframkarbid hat in etwa die eutektische Zusammensetzung zwischen Biwolframkarbid, W&sub2;C, und Monowolframkarbid, WC. Das Gußkarbid wird vorzugsweise durch Widerstandsheizen von Wolfram in Kontakt mit Kohlenstoff in einem Graphitschmelztiegel hergestellt, der ein Loch aufweist, durch das die daraus resultierende eutektische Mischung heraustropft. Die Flüssigkeit wird in einem Ölbad abgeschreckt und wird anschließend auf die gewünschte Teilchengröße zerkleinert. Gußkarbid ist aufgrund der aus dieser thermischen Behandlung resultierenden Eigenspannungen spröde, und wenn es in einer durch Schweißen mit einer Stahllegierung aufgebrachten Auftragschweißungszusammensetzung verwendet wird, kann Kohlenstoff aus dem Stahl entzogen werden, da der Kohlenstoffgehalt in Bezug auf das stabile WC substöchiometrisch ist.
Eine Auftragschweißung wird auf die Zähne und auf die Maßoberfläche durch Schweißen mit einem "Stab" in Form eines weichen Stahlrohrs, das die zementierten Wolframkarbidteilchen und einkristallines WC enthält.
Eine Zusammensetzung innerhalb des Rohres zum Auftragschweißen von inneren Zahnreihen, d.h. andere Reihen als die Maßreihe, beinhaltet 0,8 bis 0,6 mm (20 bis 30 Mesh) großes zementiertes Wolframkarbid. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel werden mindestens 65 Prozent der Karbidteilchen von einem 0,6 mm (30 Mesh) Sieb aufgefangen. Nicht mehr als 10 Prozent bleiben auf einem 0,8 mm (20 Mesh) Sieb liegen und nicht mehr als 25 Prozent gehen durch das 0,6 mm (30 Mesh) Sieb. Keine Teilchen sind größer als 1,2 mm (14 Mesh). Die Korngröße der Wolframkarbidkörner in den zementierten Wolframkarbidteilchen liegen im Bereich zwischen 1 und 15 Mikron. Der Bindemittelanteil in einem derart zementierten Wolframkarbid liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 6 Gewichtsprozent und 8 Gewichtsprozent und ist vorzugsweise Kobalt. Vorzugsweise ist das Material im wesentlichen frei von Tantal- und Titankarbid.
Das einkristalline WC weist vorzugsweise eine Größe im Bereich zwischen 0,4 und 0,18 mm (40 bis 80 Mesh) auf. Daher sind alle Kristalle kleiner als 0,4 mm (40 Mesh), wobei mindestens 80 Prozent größer als 0,18 mm (80) Mesh sind. Es sollten nicht mehr als 5 Prozent kleiner als 0,15 mm (100 Mesh) sein.
Das Verhältnis der Teilchengröße der größeren zementierten Wolframkarbidteilchen zu den kleineren monokristallinen Karbidteilchen kann im Bereich zwischen zwei und fünf liegen. Das größere Verhältnis ist weniger erwünscht, da die kleineren Teilchen so klein sein können, daß ein überstarkes Lösen in der Stahllegierungsmatrix vorkommen kann. Ein Größenverhältnis von drei ist bevorzugt.
Mit derartigen Teilchengrößen des zementierten Wolframkarbids und des einkristallinen Monowolframkarbids sind die zementierten Karbidteilchen etwa dreimal so groß wie das einkristalline WC. Das 0,6 mm (30 Mesh) große Material hat eine Teilchengröße von ungefähr 0,52 mm und das 0,18 mm (80 Mesh) große Material hat eine Teilchengröße von ungefähr 0,17 mm.
Eine Zusammensetzung für eine Auftragschweißung von Zähnen auf der Maßreihe weist 0,18 bis 0,07 mm (80 bis 200 Mesh) großes, zementiertes Wolframkarbid auf. Das einkristalline Monowolframkarbid liegt vorzugsweise in dem Bereich zwischen 0,07 und 0,04 mm (200 bis 325 Mesh). Die kleineren Teilchengrößen sind besser für die Maßzahnreihe geeignet, während die größeren Teilchen besser für die Zähne der inneren Reihen geeignet sind. Im allgemein ist eine Auftragschweißung mit größeren Teilchen fester und widerstandsfähiger gegenüber Brüchen, während die kleineren Teilchen für eine verschleißfestere Auftragschweißung verantwortlich sind.
Das Gewichtsverhältnis der größeren zementierten Wolframkarbidteilchengröße zu der kleineren einkristallinen WC- Teilchengröße liegt im Bereich zwischen 35:65 und 80:20 und liegt vorzugsweise in dem Bereich zwischen 65:35 und 80:20. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel beläuft sich der Anteil des größeren zementierten Wolframkarbids auf 75 Gewichtsprozent und der kleinere einkristalline WC-Teilchenanteil auf 25 Prozent. Ein wesentlicher Anteil des zementierten Karbids ist für eine erhöhte Festigkeit der Auftragschweißung vorgesehen. Es ist wünschenswert, in dem Füllmaterial in dem Rohr neben dem Karbid bis zu 5 Gewichtsprozent eines Reduktionsmittels und eines temporären Harzbindemittels vorzusehen. Ein geeignetes Reduktionsmittel ist Siliziummangan, welches von Kennametal, Inc., Fallon, Nevada, erhältlich ist. Die Nennzusammensetzung des Siliziummangans weist 65 Prozent bis 68 Prozent Mangan, 15/18 Prozent Silizium, maximal 2 Prozent Kohlenstoff, maximal 0,05 Prozent Schwefel, maximal 0,35 Prozent Phosphor und einen restlichen Eisenanteil auf. Vorzugsweise wird etwa vier Prozent Reduktionsmittel verwendet. Ein geringer Anteil eines hitzehärtbaren Harzes ist zum besonderen Zusammenhalten der Teilchen in dem Rohr erwünscht, so daß sie beim Schweißen nicht einfach herausfallen. Ein halbes Prozent ist angebracht.
Eine beispielhafte Füllmittelzusammensetzung kann bei Verwendung von 25 kg 0,4 bis 0,18 mm (40 bis 80 Mesh) großen, einkristallinen Monowolframkarbid, von 75 kg 0,8 bis 0,6 mm (20 bis 30 Mesh) großen, gebrochenen, zementierten Wolframkarbid, von 4 kg Siliziummanganreduktionsmittel und von 0,5 kg eines Phenolharzbindemittels hergestellt werden. Die Teilchen werden durch das in einer Alkohollösung befindliche Harz benetzt, das dann getrocknet wird. Nachdem die Röhren mit dem Füllmaterial befüllt sind, und die Enden zusammengepreßt sind, werden die Enden in einer alkoholischen Phenolharzlösung eingetaucht, um etwas Binder auf den Enden aufzutragen. Das Bindemittel wird dann wärmebehandelt, um die Teilchen zeitweilig miteinander zu verbinden.
Der Anteil von Füllmittel bezogen auf das Gewicht des Stahlrohrs, in dem es eingeschlossen ist, beträgt in einem beispielhaften Ausführungsbeispiel 70 bis 80 Prozent Füllmaterial und 20 bis 30 Prozent Rohr. Diese Anteile können um 2 Prozent mehr oder weniger variieren. Das Gewicht des Füllmaterials liegt daher im Bereich zwischen 68 Prozent und 82 Prozent und das Gewicht des Rohrs im Bereich zwischen 18 Prozent und 32 Prozent. Dies resultiert in einem größeren Karbidanteil in der Auftragschweißung als in vorbekannten Auftragschweißungsmaterialien, bei denen das Gewichtsverhältnis des Karbids zu dem Stahl etwa 60:40 beträgt.
Um ein Gewichtsverhältnis von Füllmaterial zu Stahl von 70:30 zu erhalten, wird ein im Durchmesser 4 mm (5/32 Inch) messendes Rohr aus einem Stahlblech mit einer Dicke von 0,43 mm (0,017 Inch) hergestellt. In etwa werden dieselben Verhältnisse mit einem im Durchmesser 4,8 mm (3/16 Inch) messenden Rohr erreicht, wenn es aus 0,5 mm (0,02 Inch) dickem Stahlblech hergestellt wird.
Das Auftragschweißungsmaterial wird auf die Flächen des Zahns durch Aufheizen der Fläche durch einen Autogenschweiß- oder einen atomaren Lichtbogenschweißbrenner bis auf Schweißtemperatur aufgetragen. Wenn eine geeignete Temperatur erreicht ist, wird der oben beschriebene Schweiß-"stab" auf die Fläche des Zahns aufgeschmolzen. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Auftragschweißungsschicht ungefähr 1,6 bis 2,4 mm (1/16 bis 3/32 Inch). Ein Auflösen des Siliziummangans in dem weichen Stahl des Rohrs, möglicherweise ein Auflösen von geringen Wolfram-, Kohlenstoff- und Kobaltmengen aus den Karbiden und ein Vermischen von Metall aus dem Körper des Schneidkegels führt zur Bildung einer legierten Stahlmatrix für die Karbidteilchen. Eine mikroskopische Untersuchung nach der Karbonisierung, dem Abschrecken und dem Anlassen des Schneidkegels zeigt einen martensitischen Phasenübergang in der legierten Stahlmatrix der Auftragschweißung.
Die Auftragschweißung gemäß der Erfindung ist auf den Zähnen von gerändelten Zahnschneidern verschleißfester als die vorbekannten Auftragschweißungen, bei denen einkristallines WC verwendet wurde. Vergleiche wurden durch Auftragschweißungen auf Zähnen auf einem Schneidkegel wechselweise mit vorbekannten Auftragschweißungsmaterialien und mit dem verbesserten Auftragschweißungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt.
Bei jedem Meißel, bei dem dies vorgenommen wurde, waren die Zähne mit der verbesserten Auftragschweißung so gut wie oder besser als die vorbekannte Auftragschweißung. Bei vielen Meißeln zeigte die vorbekannte Auftragschweißung wesentlich größere Verschleißerscheinungen als die Zähne mit der verbesserten Auftragschweißung mit einem hohen Anteil an relativ größeren zementierten Wolframkarbidteilchen und mit einem relativ kleineren Anteil an einkristallinen Monowolframkarbidteilchen.
Die Verbesserung in der Wirksamkeit der Auftragschweißung überträgt sich unmittelbar auf eine erhöhte Anzahl an Bohrmetern und auf einen erhöhten Bohrfortschritt, wobei beides unmittelbar in geringeren Kosten für das Bohrunternehmen resultiert.
Die verbesserte Wirksamkeit kann aus einer Vielzahl von Faktoren resultieren. Im allgemeinen ist das zementierte Wolframkarbid sowohl fester als das Gußkarbid als auch als das einkristalline Karbid. Mit relativ großen zementierten Wolframkarbidteilchen wird daher der Auftragschweißung eine Festigkeit verliehen, die bruchbeständig ist. Weiterhin ist das einkristalline Monowolframkarbid ein festeres Material als das Gußkarbid, welches Eigenspannungen aufweist und aufgrund einer raschen Abkühlung von hohen Temperaturen und aufgrund der darauf folgenden Zerkleinerung sogar zerspringt.
Darüber hinaus ist das einkristalline Monowolframkarbid härter als das zementierte Karbid und daher verschleißfester. Es stellt ebenfalls ein hartes Material mit scharfen Kanten zum wirksamen Zerschneiden einer Gesteinsformation beim Gebrauch des Gesteinsmeißels dar, wobei das zementierte Karbid eher gerundet wird und weniger scharfe Kanten aufweist. Durch Vermischen von relativ größeren zementierten Wolframkarbidteilchen mit relativ kleineren einkristallinen Wolframkarbidteilchen kann eine relativ höhere Packungsdichte der Karbidteilchen erzielt werden als bei solchen, bei denen keine Korngrößenunterschiede vorgesehen sind. Der Anteil von Karbid zu Stahl kann in dem Auftragschweißungsmaterial höher, nominell etwa sechs bis zehn Prozent höher, sein.
Der Karbidanteil in der Auftragschweißung wird im wesentlichen durch den Anteil in dem Schweiß-"stab" bestimmt, der zum Auftragen der Auftragschweißung verwendet wird. Eine gewisse Verdünnung kann durch legierten Stahl von der Oberfläche des Zahnes des Schneidkegels auftreten. Diese Verdünnung stellt keinen großen Beitrag dar, da in einer typischen Auftragung einer Auftragschweißung auf einen gerändelten Zahnschneidekegel eines Gesteinsmeißels die Dicke der Auftragschweißung in der Größenordnung von 2 mm liegt. Der Anteil der Verdünnung hängt zu einem gewissen Teil von der Methode ab, mit der der Schweißer die Auftragschweißung vornimmt.
Der Karbidgehalt in der Auftragschweißung kann durch metallographisches Untersuchen eines Querschnittes durch die Auftragschweißung abgeschätzt werden. Die ungefähren Bereiche der Karbid- und Bindemittelphasen können bestimmt werden. Hieraus lassen sich die Volumenprozente des Bindemittels und des Karbids abschätzen und daraus wiederum die Gewichtsprozente. Da die Verwendung eines Reduktionsmittels in dem Füllmaterial eines Schweißrohrs notwendig ist, um eine Hohlraum freie Bindemittelphase herzustellen, kann die Verdünnung des Karbidfüllmaterials in Betracht gezogen werden und das Verhältnis des Gewichts des Füllmaterials zu dem Gewicht des Rohrs abgeschätzt werden. Ein hypothetischer röhrenförmiger Schweißstab kann aus einer Auftragschweißung, die mit anderen Methoden auf die Oberfläche aufgetragen ist, errechnet werden.
Zur Einheitlichkeit dieser Beschreibung wird der Anteil des Karbids zur Stahllegierung in der Auftragschweißung auf der Basis des Karbidgehalts in dem Stab bestimmt, der zum Aufschmelzen der Auftragschweißung auf die Oberfläche verwendet wird. Wie oben herausgestellt, weist das Füllmaterial aus Karbid, Binde- und Reduktionsmittel zwischen 70 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent (plus oder minus zwei Prozent) und das weiche Stahlrohr zwischen 20 Gewichtsprozent und 30 Gewichtsprozent (plus oder minus zwei Prozent) des Stabes auf. Das Füllmaterial besteht etwa aus 96 Prozent Karbid (plus oder minus zwei Prozent) mit einem restlichen Reduktions- und Bindemittelanteil. Beim Auftragen kann der Karbidgehalt daher, wenn beide "minus"-Toleranzen auftreten sollten, bis auf 64 Gewichtsprozent heruntergehen und wenn beide "plus"- Toleranzen auftreten, bis auf 79 Gewichtsprozent ansteigen. Im allgemeinen hat es sich jedoch gezeigt, daß der tatsächliche Karbidgehalt der Auftragschweißung, der auf den Flächen der Zähne eines Gesteinsmeißels nach dem Schweißen aufgebracht ist, mehr als 65 Gewichtsprozent, vorzugsweise 72 Gewichtsprozent oder mehr, aufweist.
Unabhängig von derartigen Faktoren, die in dieser Beschreibung verwendet sind, wird der Karbidgehalt jedoch als der Füllmaterialgehalt eines Rohrs, welches zum Aufschweißen der Auftragschweißung auf die Seite eines Gesteinsmeißelzahns verwendet wird, bezeichnet.
Die hohe Packungsdichte der relativ größeren zementierten Wolframkarbidteilchen und der relativ kleineren einkristallinen Karbidteilchen ist zum Entgegenwirken von vorausgesetzten Abnutzungsmechanismen der Auftragschweißungsmaterialien geeignet. Ein Abnutzungsmechanismus ist wahrscheinlich der Bruch von Karbidteilchen. Festeres Karbid, etwa zementiertes Wolframkarbid und einkristallines Monowolframkarbid erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegenüber diesen Abnutzungsmechanismen.
Der andere angenommene Abnutzungsmechanismus beinhaltet die "Extrusion" oder Nachgiebigkeit und anschließende Abnutzung der Binderphase, die die Karbidteilchen an das Substrat bindet. Durch die Abnutzung des Bindemittels sind Karbidteilchen exponiert und gegenüber einem möglichen Abbrechen ungeschützt. Eine Art, mit der die Verschleißfestigkeit des Bindemittels erhöht werden kann, ist, dieses stärker und härter vorzusehen. Ein legiertes Stahlbindemittel, wie es gemäß der Erfindung Verwendung findet, sieht eine derartige Härte und Stärke unter Beibehaltung einer ausreichenden Festigkeit, um die Auftragschweißung intakt zu belassen, vor.
Eine weitere Art zum Verbessern der Verschleißfestigkeit des Bindemittels besteht darin, den mittleren Abstand zwischen den Teilchen zu verkleinern, so daß die Bindemittelschicht dünner ist. Dies kann durch Verwendung von kleineren Teilchen erreicht werden, kann aber die Schneidefähigkeit der Zähne des Schneidekegels verringern. Die erhöhte Packungsdichte und der höhere Karbidanteil im Bindemittel, die gemäß dieser Erfindung vorgesehen sind, haben gleichfalls eine Verringerung des mittleren Abstandes zwischen den Teilchen oder der Dicke der Binderphase, die einer Deformation und einer Abnutzung unterworfen sein kann, zur Folge.
In Bereichen eines Gesteinsmeißels, in denen eine Abrasion durch Gesteinsformationen ein bedeutenderer Verschleißmechanismus als ein Aufprall von Gesteinsoberflächen auf die Auftragschweißung ist, kann ein hoher Anteil von einkristallinem WC verwendet werden, wobei die größeren Teilchen dreimal soviel Gewichtsprozente wie die kleineren Teilchen aufweisen und wobei die größeren Teilchen dreimal so groß sind wie die kleineren Teilchen. Dies ergibt eine geeignete Korngrößenverteilung, um die durchschnittliche freie Oberfläche des Bindemittels zwischen benachbarten Teilchen gering zu halten. Auf diese Weise kann die Abrasionswiderstandsfähigkeit des harten einkristallinen WC in vorteilhafter Weise mit der Widerstandsfähigkeit des Bindemittels gegenüber Ausbrüchen und gegenüber Verschleiß, die das Karbid ununterstützt lassen würden, kombiniert werden.
Im allgemeinen sollte das Verhältnis von Karbid zu Stahl in der Auftragschweißung für eine hervorragende Verschleißfestigkeit maximiert sein. Das Gewünschte wird durch Verwendung von zwei unterschiedlich großen Teilchen zum Erzielen einer höheren Packungsdichte gefördert. Dies kann zu einer Verringerung der Festigkeit der Auftragschweißung führen. Festigkeit wird durch Verwendung von größeren zementierten Karbidteilchen und kleineren monokristallinen Karbidteilchen, die eine größere Festigkeit als Gußkarbid aufweisen, aufrechterhalten. Die Eigenschaften der Auftragschweißung in der rauhen Umgebung, die durch einen Gesteinsmeißel angetroffen werden, sind nicht allein Funktionen der Teilchengröße und Teilchenanteile, da ebenfalls eine Interaktion mit der Matrix besteht.

Claims

1. Gesteinsmeißel mit einem Gesteinsmeißelkörper, der an einem Ende Mittel zur Verbindung des Meißels mit einem Bohrgestänge aufweist; mit mindestens einem Schneidkegel, der zum Rotieren am gegenüberliegenden Ende des Körpers angebracht ist; wobei der Schneidkegel aus einem Stahlkörper mit einer Vielzahl von davon hervorstehenden Zähnen besteht, wobei mindestens ein Teil der Zähne eine Verschleißoberfläche aufweist, die mit einer Auftragschweißungszusammensetzung beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auftragschweißungszusammensetzung mindestens 68 Gewichtsprozent einer Mischung aus Wolframkarbidteilchen und einem restlichen Stahllegierungsanteil vorgesehen sind, der die Wolframkarbidteilchen miteinander und mit dem Stahlkörper verbindet, wobei die Wolframkarbidteilchenmischung zementierte Wolframkarbidteilchen im Bereich zwischen 35 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent und einkristallines Monowolframkarbid im Bereich zwischen 20 Gewichtsprozent und 65 Gewichtsprozent aufweist.

2. Gesteinsmeißel nach Anspruch 1, bei dem die zementierten Wolframkarbidteilchen in der Auftragschweißung im Bereich zwischen 65 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent und das einkristalline Monowolframkarbid in der Auftragschweißung im Bereich zwischen 20 Gewichtsprozent und 35 Gewichtsprozent vorhanden ist.

3. Gesteinsmeißel nach Anspruch 1, bei dem die Wolframkarbidteilchenmischung etwa 75 Gewichtsprozent zementiertes Wolframkarbid und etwa 25 Gewichtsprozent einkristallines Monowolframkarbid aufweist.

4. Gesteinsmeißel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Teilchengröße der zementierten Wolframkarbidteilchen zwischen zwei- bis fünfmal größer ist als die Teilchengröße der einkristallinen Monowolframkarbidteilchen.

5. Gesteinsmeißel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Teilchengröße der zementierten Wolframkarbidteilchen etwa dreimal größer als die Teilchengröße der einkristallinen Monowolframkarbidteilchen ist.

6. Gesteinsmeißel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Größe der zementierten Wolframkarbidteilchen im wesentlichen im Bereich zwischen 0,8 und 0,6 mm (20 bis 30 Mesh) liegt.

7. Gesteinsmeißel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Größe der einkristallinen Monowolframkarbidteilchen im wesentlichen im Bereich zwischen 0,4 und 0,18 mm (40 bis 80 Mesh) liegt.

8. Gesteinsmeißel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Wolframkarbidteilchen zwischen 68 Gewichtsprozent und 82 Gewichtsprozent und der Stahl zwischen 18 Gewichtsprozent und 32 Gewichtsprozent aufweisen

9. Gesteinsmeißelauftragschweißung, bei der Stahl im Bereich zwischen 18 Gewichtsprozent und 32 Gewichtsprozent und Füllmaterial im Bereich zwischen 68 Gewichtsprozent und 82 Gewichtsprozent vorhanden ist, wobei das Füllmaterial zwischen 20 Gewichtsprozent und 65 Gewichtsprozent einkristalline Monowolframkarbidteilchen, zwischen 35 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent zementierte Wolframkarbidteilchen und einen restlichen Stahlreduktionsmittelanteil aufweist.

10. Gesteinsmeißelauftragschweißung nach Anspruch 9, bei der die Teilchen aus einer ersten Menge von relativ größeren Teilchen und aus einer zweiten Menge von relativ kleineren Teilchen bestehen, wobei die Teilchen der ersten Menge zwei- bis fünfmal größer als die Teilchen der zweiten Menge sind.